Sevillako Biomedikuntza Institutuak (Virgen del Rocío Unibertsitate Ospitalea/CSIC/Sevillako Unibertsitatea) Euskal Herriko Unibertsitatearekin, Biofisika Institutuarekin, Donostia International Physics Centerrekin eta Espainiako eta nazioarteko beste zentro entzutetsu batzuekin berriki egindako lankidetza baten emaitza gisa, tresna berri baten berri argitaratu da Cell Reports Methods aldizkarian: CartoCell, eduki handiko 3Dko irudiak aztertu eta morfologia zelularraren patroi ezkutuak erakusten dituen tresna bat. Kode irekiko softwarea da, eta aplikazio-potentzialitate handia du, bai oinarrizko zientziarako (dagoeneko probatu da), bai garapen kliniko eta medikorako.

Patroi ezkutuen bila

Naturako beste egitura batzuek bezala, animaliek eta landareek badituzte erraz hauteman ditzakegun zenbait patroi: zebren marrak eta jirafaren eta dortoka-maskorraren poligonoak, adibidez. Patroi horien guztien ezaugarria da makroskopikoak izatea. Baina fenomeno hori bera gertatzen da maila mikroskopikoan ere, ehunetan. “Patroi horiek enbrioiaren garapenean ere agertzen dira”, azaldu du lanaren egileetako batek, Luis M. Escuderok, Sevillako Biomedikuntza Institutuko (IBiS) ikerlaria eta Sevillako Unibertsitateko irakaslea bera. “Adibidez, badira zenbait gene txandakako marra-patroitan espresatzen direnak eta funtsezkoak direnak intsektuen segmentuak ezartzeko”. Patroi horietako asko ezagunak dira eta oso aztertuak daude; hala ere, oraindik asko dago ezagutzeko.

“Gure lanean, oraindik ezkutuan zeuden patroi batzuk aurkitu ditugu… Ehunen irudi mikroskopikoak aztertzeko adimen artifizialeko tresnak erabiltzean bakarrik aurkitu ahal izan dira. Ikusi dugu zenbait egitura oso sinpletan ere asimetriak daudela zelulen morfologian. Horrela hasten da morfogenesia”. Morfogenesia organismo batek bere forma eta egitura garatzea eragiten duen prozesu biologikoa da. Enbrioi-garapenaren funtsezko etapetako bat da, eta zelula bereiziak egitura espezifikoak eta, batzuetan, organo osoak osatzeko antolaketari eta banaketa espazialari dagokio.

CartoCell, epitelio-ehunak kartografiatzeko tresna

“CartoCell software-tresna bat da aukera ematen duena mikroskopioan lortutako 3Dko irudi asko azkar eta automatikoki prozesatzeko, zelula mailako epitelio-ehunak berregiteko eta aztertzeko”, dio Escudero doktoreak. Bestela esanda, tresna digital hori gai da informazio asko automatikoki lantzeko, eta espezializatuta dago ehunetan patroiak, formak, banaketak eta egiturak bilatzeko, irudietatik abiatuta.

Argitu duenez, CartoCellek sare neuronalen ahalmena erabiltzen du; bereziki, mikroskopio-irudietan hiru dimentsioko zelulen identifikazioa optimizatzeko diseinatutako sare neuronal artifizial bat. CartoCellen abantaila nagusia da zelula bakoitzak epitelio-ehunean duen forma eta banaketa identifika eta azter dezakeela, eta aukera ematen duela ehun-mota bakoitzari lotutako patroiak aurkitzeko.

“Ehuneko zelula bakoitza leialtasun handiz berreraikitzen da, eta, horri esker, haren forma nahiz banaketa espaziala azter ditzakegu. Hala, CartoCellek ehun- eta zelula-motei lotutako patroiak aurkitzea ahalbidetzen digu, baita haien paketatze-arauak aztertzea ere”. Oraingoz, oinarrizko zientziako azterketarako erabili da softwarea, eta zelulen morfologia ehun-mota bakoitzaren irudiekin kartografiatzeko aukera eman du. “Horrela, patroi ezkutuak modu erraz eta oso bisualean aurkitu ahal izan ditugu”, jarraitzen du ikertzaileak, “hori funtsezkoa baita zelulek kontaktu estua duten epitelio-ehunen antolaketa aztertzeko”.

Baina, patroi ezkutuen eta ehunen ikerketa biologikoen esparrutik harago, CartoCellek potentzial handia du aplikazio klinikorako ere. “Biomedikuntzan, lagin asko azkar eta modu fidagarrian aztertzeko aukera izatea, CartoCellek egiten duen bezala, ezin hobea da organoide epitelialen kultiboen erreproduzigarritasuna ebaluatzeko [organo txiki bat simulatzeko sortutako ehun txikiak dira organoideak] eta baldintza normalen eta patologikoen arteko konparazio zehatzak egiteko. Adibide sinple bat jartzearren”, jarraitu du ikertzaileak, “gure metodoak onura ekar dezake medikamentuek animalien edo gizakien ehunetan duten eragina aztertzeko. Guk egiten dugun irudien azterketa aurreratuan, zelula mailako aldaketa sotilak hauteman daitezke, epe luzera garrantzitsuak izan daitezkeenak, botika bakoitzak gaixotasun jakin baten aurka duen efektuari dagokionez”.

Sare neuronalak eta kode irekia muinean

CartoCellen bihotza sare neuronal artifizial bat da. Sarearen arkitektura aurrez garatutako beste eredu batzuetatik abiatuta diseinatu da; ereduok Biofisika Institutuko bioirudirako ikusmen artifizialaren ikerketa-taldeak eta Donostia International Physics Center (DIPC) erakundeak garatu zituzten, Euskal Herrian. “Eredu horiek moldakortasun eta sendotasun handia erakutsia zuten hainbat eratako mikroskopia-irudietako antzeko arazoetarako (mikroskopia elektronikoa eta mikroskopia konfokala, besteak beste)”, azaldu du Ignacio Arganda doktoreak; bera da talde horretako burua, eta Euskal Herriko Unibertsitateko Informatika Fakultateko Ikerbasque ikertzailea. “Zehazki, arkitektura eta sortzen dituen irteera-irudiak egokitu egin ziren mikroskopia-tekniken bidez lortutako hiru dimentsioko zelulen identifikazioa optimizatzeko”.

“Sare neuronal artifizial guztiek bezala”, jarraitu du, “gureak entrenamendu-multzo deritzona behar du proposatzen diogun lana egiten ikasteko. Gure kasuan, lan hori epitelio-zelulak hiru dimentsioko irudietan identifikatzea (edo “segmentatzea”) da. Normalean, sare neuronal batek oso datu-multzo handia eta heterogeneoa behar du lan hori orokortu eta zehaztasunez egiteko gai izango bada. Multzo hori eraikitzeko, eskulan handia egin behar da, entrenamenduko 3D irudietako zelula guztiak banan-banan “margotu” beharko bailirateke.

“Baina”, argitu du adituak, “CartoCellek epitelio margotuen hasierako entrenamendu-multzo oso txiki bat erabiltzen du. Multzo horrekin, lehenengo aldiz entrenatzen dugu gure sare neuronala, eta saiatzen gara beste epitelio-irudi askotan zelula-identitateak aurresan ditzan. Espero bezala, emaitza ez da ideala, zeren eta identitate asko ez daude osatuta, eta zelulen artean hutsuneak gelditzen dira. Hori konpontzeko, Voronoi-ren algoritmo bat erabiltzen dugu, zeinak identifikatutako zelulen arteko espazio hutsak betetzen baititu eta, hala, zelula horiek elkarrekin kontaktuan jartzea lortzen".

“Transformatutako zelula-etiketa horiei weak label deritzegu [etiketa ahulak], eta entrenamendu-multzo berri gisa erabiltzen ditugu. Etiketa horiek, guztiz perfektuak ez badira ere, nahiko modu errealistan atzematen dute zelularen morfologia (epitelio-zelulek antolakuntza-ezaugarri batzuk partekatzen baitituzte Voronoi-ren patroiekin). Gainera, asko eta oso heterogeneoak direnez, sarearen berrentrenamendu-prozesua hobetzen laguntzen dute. Urrats hori funtsezkoa da CartoCellen; izan ere, horri esker, oso emaitza onak lor ditzakegu segmentazioan, denbora asko erabili gabe entrenamendu-multzo handi bat eskuz etiketatzen”, argitu du ikertzaileak.

CartoCellen ezaugarrietako bat moldakortasuna da, Pedro Gómez-Gálvez doktoreak dioenez; bera ere lanaren egilea da, eta gaur egun Cambridgeko Unibertsitateko (Erresuma Batua) Fisiologia, Garapen eta Neurozientzia Sailean dago. Egiazki, haren sare neuronalaren ordez, gaur egungo edozein segmentazio-eredu erabil liteke (3Dko sare neuronal konboluzionalak edo haien edozein aldaera), betiere etiketa arin edo weak labels kontzeptua erabiltzen bada entrenamendu-multzoa hobetzeko. “Hain zuzen, gure artikuluan hainbat sare-arkitektura modernorekin probatuko ditugu, eta, horiekin guztiekin, emaitzak oso onak izan ziren Voronoi-ren algoritmoari jarraitzen dion etiketatze arinaren ondoren”, baieztatu du Gómez-Gálvez jaunak.

Gainera, CartoCell kode irekiko tresna da, eta horrek aukera ematen die beste aditu batzuei hura askatasunez erabiltzeko, hobetzeko edo egokitzeko. “CartoCell sortzen parte hartu dugun guztiok irmo sinesten dugu zientzia irekiaren ideian. Ondorioz, CartoCell kode ireki gisa ezarri da hasiera-hasieratik, eta beti egon da komunitatearen eskura. Alde horretatik, gure asmoa izan da tresna eskuragarri bat sortzea, adituak ez diren pertsonek erraz instalatu eta erabiltzeko modukoa baina, era berean, moldagarria eta zabalgarria, haren gainean irtenbide berriak garatu nahi dituenarentzat”, esan du amaitzeko.

Sevillako Biomedikuntza Institutuaz, Euskal Herriko Unibertsitateaz, Biofisika Institutuaz eta Donostia International Physics Centerrez gain, lan honetan parte hartu dute Sevillako Unibertsitateko ikertzaileek, Madrilgo Severo Ochoa Biologia Molekularreko Zentroak eta, Erresuma Batuan, Cambridgeko MRC Laboratory of Molekular Biology erakundeak.